畢永強，修建龍，張康智，馬 挺

(1.西安航空學院，陜西 西安 710077；2.中國科學院滲流流體力學研究所，河北 廊坊 065007； 3.南開大學，天津 300071)

0 引 言

在油田開發(fā)過程中，由于儲層的非均質性較強，導致“舌進”和“指進”現象較為突出，吸水剖面和產液剖面嚴重失調，注水低效或無效循環(huán)的問題嚴重影響了開發(fā)效果[1-3]。調剖堵水技術是油田改善注水開發(fā)效果、實現油藏穩(wěn)產的有效技術手段[4-8]。微生物調剖技術是近年來迅速發(fā)展起來的一項提高采收率技術，其施工工藝簡單、控水增油效果好，成本低，有效期長、不污染環(huán)境[9-14]，日益受到國內外學者的廣泛關注。室內實驗證實，微生物可通過菌體增殖、代謝生成生物聚合物等形式對油藏形成選擇性封堵，從而提高波及效率[15-18]。眾多微生物調剖礦場試驗證明，微生物調剖效果明顯，投入產出比為1.0∶2.0～1.0∶5.5，具有很高的經濟效益[19-25]。目前已篩選出一株聚合物產生菌FY-7，其在生長過程中伴有菌體量的增加和生物聚合物的生成。為進一步闡明其調剖機理，探究其調剖潛力，從微觀角度出發(fā)，利用微觀仿真透明模型研究了生物聚合物在多孔介質中的生成、分布及調剖特征，并通過物理模擬實驗宏觀上考察了微生物的調剖機理、調剖性能和提高采收率的能力，為微生物調剖技術的發(fā)展及應用提供了理論依據和技術支持。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

(1) 實驗菌株。實驗菌株為Enterobacter sp.FY-7，-80 ℃甘油管保存于實驗室菌種庫。

(2) 培養(yǎng)基配方。種子培養(yǎng)基：酵母粉5.00 g/L，蛋白胨10.00 g/L，NaCl10.00 g/L，pH值為7.2～7.4；加入2%的瓊脂粉即可制成固體平板。無機鹽培養(yǎng)基：KNO31.00 g/L，葡萄糖30.00 g/L，Na2HPO4·12H2O 1.50 g/L，MgSO4·7H2O 0.25 g/L，MnCl20.20 g/L， Na2SO40.32 g/L，酵母粉0.10 g/L，蛋白胨2.00 g/L，pH值為7.0～7.2。

(3) 油水樣。實驗所用原油、地層水均采自新疆克拉瑪依油田七中區(qū)產油井。該區(qū)塊地層溫度為32 ℃；20 ℃地面脫氣原油密度為0.862 g/cm3，地面脫氣原油黏度為60.5 mPa·s，地層水總礦化度為15 726 mg/L。

(4) 模型材料。微觀仿真透明模型的尺寸為40.0 mm×40.0 mm×2.4 mm，模型孔隙直徑范圍為20～200 μm；均質膠結巖心采購于新疆勘探開發(fā)研究院，巖心參數見表1。

表1 均質膠結巖心參數

1.2 儀器設備

Avanti J-E型多用途高效離心機(美國貝克曼庫爾特有限公司)；XL-30型ESEM(荷蘭飛利浦儀器公司)；XY-V 型大型恒溫箱實驗臺一體機(廊坊中國石油科學技術研究院和海安鑫旺石油科研儀器聯合研制)；HVE-50 型立式壓力蒸汽滅菌器(上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設備機廠)；100DX型高壓高精度柱塞泵(美國ISCO公司)；Axio Imager A2型頂級正置熒光顯微鏡(德國蔡司公司)；TY-4型巖心夾持器和活塞式中間容器(海安華達石油儀器科技有限公司)。

1.3 實驗方法

(1) 種子液的制備。將甘油管保存的菌株FY-7接種至平板培養(yǎng)基，37 ℃靜置培養(yǎng)24 h，對菌株進行活化，之后用接種環(huán)挑取平板菌落至種子培養(yǎng)基中，37 ℃搖床上按速度為180 r/min培養(yǎng)16 h獲得種子液備用。

(2) 菌株在油藏溫度下的生長代謝特征。種子液按2%接種量接種至無機鹽培養(yǎng)基混合均勻，并分裝至若干個250 mL三角瓶中，32 ℃(油藏溫度)下靜置培養(yǎng)，定期取1個三角瓶，用快速濾紙對三角瓶中培養(yǎng)液進行過濾，將生物纖維聚合物和菌液分離，分別測定菌濃度和生物聚合物的體積。

(3) 微觀模型實驗方法。實驗用實驗系統(tǒng)見文獻[25]。應用微觀透明玻璃模型進行微觀調剖驅油機理研究。實驗步驟：①將微觀模型抽真空并飽和地層水；②飽和脫水脫氣原油，從而建立束縛水飽和度；③水驅至油水分布穩(wěn)定；④注入接種2%FY-7的無機鹽培養(yǎng)基，并在32 ℃下封閉靜置培養(yǎng)7 d；⑤后續(xù)水驅至油水重新分布穩(wěn)定。實驗過程中注入速度為0.5 mL/min，期間觀察并記錄實驗現象。

(4) 封堵率評價實驗方法。封堵率是評價調剖性能的重要參數，其體現的是封堵前后巖心水測滲透率的降低程度，計算方法見文獻[26]。應用均質膠結巖心對封堵能力進行評價。實驗步驟：①挑選3種不同滲透率均質膠結巖心，分別置于巖心夾持器中并固定；②將巖心抽真空4h后飽和地層水，并計算孔隙度，浸泡12 h后待用；③注入地層水，并記錄注入壓力，計算堵前水相滲透率；④注入接種2% FY-7的發(fā)酵培養(yǎng)基0.5倍孔隙體積，32 ℃下封閉靜置培養(yǎng)7 d；⑤注入地層水，并記錄注入壓力，計算堵后水相滲透率；⑥計算封堵率，并分析實驗結果。

(5) 物理模擬驅油實驗方法。通過將不同滲透率的膠結巖心并聯模擬非均質油藏條件，評價FY-7的調剖驅油能力，體現的是FY-7通過封堵作用進一步提高原油采收率的能力。實驗步驟：①挑選2塊不同滲透率的均質膠結巖心，分別置于巖心夾持器中固定；②將巖心抽真空4 h后飽和地層水，并計算孔隙度；③飽和脫水、脫氣原油，建立束縛水，計算初始含油飽和度(Soi)；④水驅至綜合含水率為98%；⑤注入接種2%FY-7的發(fā)酵培養(yǎng)基0.5倍孔隙體積，32 ℃下封閉靜置培養(yǎng)7 d；⑥后續(xù)水驅至含水率達98%以上，計算驅油效率，并分析實驗結果。實驗過程中注入速度為1.0 mL/min，期間分別記錄注入壓力及2塊巖心的出液量和出油量。

2 結果與討論

2.1 菌株描述及其生長代謝特征

聚合物產生菌FY-7為陰溝腸桿菌，兼性厭氧。在LB平板上，菌落呈圓形，邊緣整齊，表面光滑不透明(圖1a)。單個菌體呈短桿狀，大小為(0.5～0.6)μm×(1.3～1.6)μm(圖1b)。在24～39 ℃下，FY-7能通過生長代謝生成大量生物纖維聚合物。代謝生成的生物聚合物能交聯在一起，呈凍膠狀(圖1c)。

圖1 菌株FY-7及生物聚合物的表觀特征

FY-7在新疆七中區(qū)油藏溫度下，無機鹽培養(yǎng)基中的生長代謝情況見圖2。由圖2可知，FY-7菌在14 h達到最大菌濃度，為1.8×108cfu/mL。代謝生成的生物聚合物的最大生成量時間相對滯后，在17 h達到最大生成量，占總體積的55%。當菌體生長至衰亡期后，生物聚合物的體積占比下降不明顯，仍可呈穩(wěn)定的膠體狀態(tài)。因此，FY-7能封堵大孔道，具備良好的調剖潛力。

圖2 FY-7的生長代謝過程

2.2 FY-7的微觀調剖作用

微觀模型的孔隙直徑為20～200 μm，遠大于菌體大小，菌體難以發(fā)揮封堵作用，主要應用微觀模型研究生物聚合物的調剖驅油作用(圖3)。

一次水驅后，微觀模型殘余油的分布狀態(tài)主要包括孤島狀、柱狀、膜狀、簇狀和盲端等形式[27](圖3a)。由于大孔隙的驅替阻力小于小孔隙，注入水優(yōu)先流經大孔隙，從而使大孔隙中的原油被大量采出，殘余油主要以膜狀形式存在，而小孔隙中的殘余油較多，主要以柱狀和簇狀為主。由于殘余油和多孔介質間的相互作用，導致水驅無法有效驅替剩余原油，造成無效水驅循環(huán)。注入調剖功能菌FY-7段塞后，微觀模型剩余油的分布狀態(tài)發(fā)生變化(圖3b)，由圖3b可知，在微生物段塞的作用下，微觀模型其他部位(主要以小孔隙殘余油為主)的殘余油被驅趕至大孔隙，并形成新的殘存狀態(tài)，此時微生物菌體主要分布在多孔介質水相中和油水界面。7 d后，FY-7在微觀模型多孔介質中生長繁殖，生物聚合物在大孔道生成并聚集，從而形成對大孔隙的封堵(圖3c)。說明大孔隙為FY-7提供了足夠的生長空間，降低了菌內競爭，從而使生物聚合物優(yōu)先在大孔道生成聚集，具有選擇性調剖的作用。在FY-7對大孔隙形成穩(wěn)定封堵后，進行后續(xù)水驅油。由圖3d可知，大量殘余油被采出。說明由于生物聚合物的封堵作用，在整體上調整了吸水剖面，改善了水驅效果，從而提高了注水波及體積和原油采收率。

圖3 不同微生物調驅階段的油水分布狀態(tài)

2.3 FY-7的封堵性能分析評價

實驗采用表1中均質膠結巖心進行封堵實驗，驗證FY-7對單一滲透率層位的封堵能力。FY-7對不同滲透率巖心的封堵率略有差異，滲透率分別為 281×10-3、449×10-3、2 346×10-3μm2的巖心的封堵率分別為78%、74%、67%，平均封堵率為73%，說明FY-7有很好的封堵能力，能改善油藏非均質性，調整吸水剖面，從而改善油藏的開發(fā)效果；封堵率隨著滲透率的增大而降低，說明滲透率越大，孔喉半徑越大，菌體的堵塞作用將會被削弱，而此時的封堵效果主要是生物聚合物的作用。

2.4 FY-7的宏觀調剖過程分析評價

調剖的主要目的是提高非均質油藏的開發(fā)效果，為了真實體現FY-7的調驅能力，實驗應用不同滲透率的均質膠結巖心4號和5號，采取并聯的方式來模擬非均質油藏環(huán)境。

圖4為不同滲透率巖心的分流率變化情況。由圖4可知：在水驅階段，高滲巖心分流率高于低滲巖心，注入水優(yōu)先進入高滲巖心，因此，高滲巖心相比于低滲巖心提前注水突破；隨著注水過程的深入，高滲巖心和低滲巖心的分流率分布穩(wěn)定在80%和20%；在注菌階段，高滲巖心的分流率增大，而低滲巖心分流率減小，說明調剖微生物FY-7優(yōu)先進入高滲透層，對其進行封堵；后續(xù)水驅階段高滲巖心分流率明顯降低，低滲巖心分流率顯著升高，說明FY-7能明顯改善油藏非均質性，發(fā)揮調剖作用。

圖4 不同滲透率巖心的分流率變化

圖5為含水率、采收率及驅替壓力變化情況。由圖5可知：注水突破后，壓力逐漸下降，并趨于平穩(wěn)；在注入調剖功能菌液過程中，由于菌體優(yōu)先進入大孔隙，菌液主要流經高滲巖心，因此，造成壓力有一定下降；后續(xù)水驅前段，壓力呈跳躍式升高，說明由于菌體的生長代謝和生物聚合物的生成對高滲透帶形成了封堵；在后續(xù)水驅后段，隨著菌體的解吸附和驅出、殘余油的大量采出，壓力逐漸降低。

通過驅替過程中的含水率和采收率變化曲線分析可知，FY-7通過調剖提高了原油采收率(表2)。

圖5含水率、采收率及驅替壓力變化

由表2可知：水驅階段，當驅替至綜合含水率為98%時，綜合采收率為39.42%，高滲透巖心的累計注入孔隙體積倍數為2.84，累計采收率為40.58%，低滲透巖心的累計注入孔隙體積倍數僅為0.60，累計采收率卻達到了38.17%，略低于高滲透巖心，說明高滲透巖心的無效水驅循環(huán)現象明顯；注入微生物段塞0.5倍孔隙體積，并恒溫培養(yǎng)7 d后，高滲巖心和低滲巖心的含水率均有一定的下降(圖5)，FY-7分別使高滲巖心、低滲巖心的采收率分別提高6.68、14.67個百分點(表2)，說明FY-7不僅可封堵高滲層，還可封堵高滲層的高滲部位，從而提高低滲透層的波及效率，提高原油采收率；FY-7綜合提高采收率為10.54個百分點，說明FY-7能通過生長代謝生成生物聚合物發(fā)揮調剖作用，顯著提高原油采收率，可應用于現場的油田開發(fā)。

表2 物理模擬調驅實驗結果

3 實踐指導

對于非均質油藏采收率較低的問題，實驗研究發(fā)現殘余油主要存在于低滲透區(qū)域，通過聚合物產生菌FY-7在高滲透區(qū)域代謝生成生物聚合物對其進行封堵，促進了低滲透殘余油的采出，有效提高了非均質油藏的采收率。FY-7可作為一種提高原油采收率的接替性物質，應用于非均質油藏的開發(fā)。此外，還可考慮應用FY-7與表面活性劑復合使用，利用其提高波及效率和洗油效率的綜合作用，進一步提高原油采收率。

4 結 論

(1) 通過對FY-7的生長代謝特征研究發(fā)現，菌株能在24～39 ℃下通過生長代謝生成大量交聯狀的生物聚合物，且呈穩(wěn)定膠體狀態(tài)，具備微生物調剖的工業(yè)應用潛力。

(2) 通過微觀模型實驗研究了FY-7的調剖驅油機理，表明FY-7優(yōu)先在大孔隙生長繁殖，并生成生物聚合物形成封堵作用，在整體上調整了吸水剖面，提高了注水波及體積，改善了水驅效果，具有選擇性調剖的作用。

(3) FY-7的封堵率大小為67%～78%，平均為73%，封堵性能良好；FY-7使高滲巖心、低滲巖心的采收率分別提高6.68、14.67個百分點，綜合提高采收率為10.54個百分點，顯著提高了原油采收率。